Кинетические явления в тонких пленках переходных d-металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.18 ВАК РФ

пб од

4 ОКТ ¿00Прикарпатський університет

ІМЕНІ ВАСИЛЯ СТЕФАНИКА

На правах рукопису

ЛОПАТИНСЬКИЙ 1 Андріан Іванович ¿У

УДК 539.216 + 546.3

КІНЕТИЧНІ ЯВИЩА В ТОНКИХ ПЛІВКАХ ПЕРЕХІДНИХ

(1-МЕТАЛІВ

01.04.18 - Фізика і хімія поверхні

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Івано-Франківськ-2000

иОГ‘7 1Я0 '7 _

1/0 9 ІС?

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Львівському національному університеті імені Івана Франка, Міністерство освіти і науки України

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК: доктор фізико-математичних наук, професор,

завідувач кафедри загальної фізики Львівського національного університету імені Івана Франка Стасюк Зиновій Васильович

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ: доктор фізико-математичних наук, професор,

завідувач кафедри прикладної фізики Сумського державного університету Проценко Іван Юхимович

кандидат фізико-математичних наук, професор, професор кафедри фізики металів Львівського національного університету імені Івана Франка Миколайчук Олексій Гордійович

ПРОВІДНА УСТАНОВА: Інститут фізики НАН України, лабораторія

розмірних явищ, м. Київ

Захист дисертації відбудеться “ & ” 2000 року

о ■/'^ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 20.051.03 при Прикарпатському університеті імені Василя Стефаника за адресою:

76000, Івано-Франківськ, вул.Шевченка, 57).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Прикарпатського університету імені Василя Стефаника (76000, Івано-Франківськ, вул.Шевченка, 57).

Автореферат розісланий “11" ¿среси* 2000 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М. Кланічка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значна увага до вивчення процесів зародження і росту тонких плівок та до дослідження фізичних явищ в плівках обумовлена як широким використанням тонких шарів речовини в ряді сучасних новітніх технологій, так і важливим пізнавальним значенням досліджень даного плану. Вивчення фізичних властивостей плівок дозволяє отримати надзвичайно цінну інформацію, необхідну для розуміння фундаментальних властивостей твердих тіл та їх поверхні. З іншого боку тонкі шари речовини є основними елементами ряду пристроїв в мікроелектроніці, техніці надвисоких частот, оптоелектроніці та інших галузях сучасної електронної техніки.

Прогрес в дослідженнях властивостей тонких плівок, досягнутий в останні роки, став можливим завдяки розвитку техніки надвисокого вакууму і забезпеченню чистих умов приготування шарів, що дозволило створити технології виготовлення плівок з наперед заданими відтворюваними будовою та фізичними властивостями. Дальша мікромініатюризація електронних пристроїв та поява нанотехнологій привели до необхідності вивчення надтонких (в ряді випадків субатомних) плівок металів, які перспективні з точки зору використання їх в якості провідних і резистивних елементів в мініатюрних пристроях.

Стан речовини в тонкому шарі відрізняється від масивного помітнії ч впливом на властивості шару явищ на поверхні. При достатньо малих товщинах плівки вплив поверхневих процесів стає визначальним, що приводить до існування ряду фізичних ефектів, обумовлених обмеженням розмірів зразка в одному з вимірів. За рахунок обмеження розмірів зразка можна ініціювати зміну електронного енергетичного спектру зразка, його електронних властивостей, температури плавлення, а в ряді випадків викликати появу нетипових для даного матеріалу структурних особливостей. Вивчення сукупності явищ даного плану (так званих розмірних явищ) дозволяє передбачувати властивості надтонких шарів і створювати технології виготовлення тонких плівок з відомою структурою та фізичними властивостями. При використанні плівок металів в якості елементів електронних пристроїв важливо знати поведінку кінетичних коефіцієнтів шару при можливих змінах товщини шару та при його структурних перебудовах. Розсіяння носіїв струму в тонкій плівці відбувається під впливом як об’ємного розсіювання на статичних та динамічних недосконалостях гратки (подібно як в масивному кристалі), так і за рахунок поверхневого розсіювання та розсіювання на межах зерен,

оскільки полікристалічна тонка плівка звичайно складається з кристалів набагато менших розмірів, ніж розміри кристалітів в масивному зразку. Тому, змінюючи товщину плівки та розміри зерна в ній, можна в певних межах змінювати відносні внески поверхневого та зерномежового розсіювання в сумарний час релаксації носіїв струму, а тим самим керовано змінювати кінетичні коефіцієнти плівки. Метою даної роботи було вивчити класичний розмірний ефект в плівках ряду перехідних металів, тобто вплив поверхневого та зерномежового розсіювання на кінетичні коефіцієнти плівок.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі загальної фізики Львівського національного університету імені Івана Франка по плану держбюджетної теми «Структура, електронні та електронно-адсорбційні властивості плівок металів на поверхнях кристалів тугоплавких металів та діелектричних підкладках в початковій стадії їх зародження і росту» (реєстраційний номер 0197Ш18098) в рамках науково-дослідної програми Міністерства освіти і науки України «Дослідження адсорбційних, каталітичних та корозійних явищ на поверхні твердих тіл з метою розвитку наукових основ ресурсозберігаючих технологій» (реєстраційний номер програми 06.04-МВ/* -97).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи було дослідити вплив поверхневого та зерномежового розсіювання носіїв струму на перенос заряду в плівках та вивчити можливості керування кінетичними коефіцієнтами плівок з допомогою зміни товщини шару та середніх розмірів кристалітів.

Для досягнення поставленої мети в процесі виконання роботи вирішувались наступні завдання:

- розробка і вдосконалення методик отримання плівок металів із заданими структурою та електрофізичними властивостями;

- дослідження структури та розмірних залежностей кінетичних коефіцієнтів плівок, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках на основі модельних уявлень Фукса-Зондгеймера, Майадаса-Шацкеса, Тельє-Тосе-Пішара та моделей, модифікованих для опису плівок перехідних металів;

- вивчення впливу структурних особливостей плівок та температури на параметри переносу заряду в плівках.

Об’єктами дослідження були тонкі плівки (товщиною до 100 нм) перехідних металів ітрію, скандію, титану, молібдену, хрому, нікелю і паладію, нанесені на діелектричні підкладки (поліроване скло та хлористий натрій) в умовах надвисокого вакууму. Препарування та дослідження

з

плівок здійснювали при тиску залишкових газів, нижчому за 10‘7 Ра. Вибір матеріалів для дослідження зумовлений як широкими перспективами їх використання в різних галузях електронної техніки, так і можливістю отримання даних, що доповнюють існуючі уявлення про перенос заряду в плівках перехідних металів.

В роботі вперше:

- отримано комплекс результатів на основі дослідження плівок різних матеріалів, що підтверджують теоретичне передбаченні незалежності імовірності міжзеренного тунелювання носіїв струму від температури (для діапазону температур 78 - 373 К);

- показано, що в дрібнокристалічних плівках досліджених перехідних металів імовірність міжзеренного тунелювання носіїв струму не залежить від лінійних розмірів зерна в межах розмірів зерна 6-30 нм;

- для плівок хрому показано, що імовірність міжзеренного тунелювання носіїв струму, що перебувають як на електронних, так і на діркових траєкторіях, не залежить від температури в діапазоні температур 78 - 300 К;

- підтверджено припущення, що із розмірних залежностей питомого опору та постійної Холла плівок можна передбачити хід розмірної залежності абсолютної диференціальної термо-е.р.с. плівс с перехідних металів.

Практичне значення одержаних результатів.

Результати експериментального дослідження структури та електрофізичних властивостей тонких плівок металів мають безпосередню практичну цінність для розвитку плівкового матеріалознавства. Зокрема:

- розроблено методики приготування в умовах надвисокого вакууму чистих плівок ряду перехідних металів із заданими відтворюваними структурою та електропровідністю;

- результати експерименту можуть бути використані для виготовлення плівок ітрію, скандію та хрому із заданими значеннями постійної Холла та абсолютної диференціальної термо-е.р.с.;

- результати розрахунку параметрів переносу заряду в плівкгх придатні для дальшого розвитку модельних уявлень про кінетичні явища в тонких шарах перехідних металів.

Особистий внесок дисертанта полягає в безпосередньому проведенні експериментальних досліджень, включаючи удосконалення та налагодження технологій і експериментальних методик, в комп’ютерній обробці експериментальних даних. Самостійно здійснено співставлення

отриманих результатів з існуючими теоретичними моделями та підготовку матеріалів для публікацій. Дисертант приймав участь в написанні статей.

Апробація результатів роботи і публікації.

Основні результати дисертаційної роботи доповідались на наступних наукових симпозіумах, семінарах і конференціях: IV, V, VI Міжнародних конференціях з фізики і технології тонких плівок (м.Івано-Франківськ, 1993, 1995, 1997); Міжнародній науковій конференції, присвяченій 150-річчю від дня народження І.Пулюя (м.Львів, 1995); 1 та 2 Міжнародних Харківських вакуумних конференціях (м.Харків, 1993, 1995); Другій Міжнародній конференції “Конструкційні та функціональні матеріали” (м.Львів, 1997); 6-th International Workshop Electronic Properties of Metal/Nonmetal Microsystems (Prague, 1997); 19-th International Seminar on Surface Physics (Polanica Zdrój, Poland, 1998); Second International Conference VPSL’ 96 (Sumy, 1996); Звітних наукових конференціях Львівського державного університету ім. Івана Франка (1994-1998).

За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 11 праць.

Структура і об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку літератури, що включає 179 назв. Обсяг дисертації 137 сторінок, включаючи список літератури та 32 рисунки і 6 таблиць.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі подається обгрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, відзначено її зв’язок з державними науковими програмами, що виконуються на кафедрі, сформульовані мета і основні завдання дослідження, наукова і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі “Розмірні ефекти в кінетичних явищах в тонких плівках металів “ зроблено огляд теоретичних і експериментальних робіт, присвячених дослідженню розмірних кінетичних явищ в тонких металевих плівках. Вияснено причини виникнення розмірних явищ та здійснено порівняльний аналіз основних теорій розмірних кінетичних явищ в плівках. Зроблено висновок, що явища переносу заряду в полікристалічнк^ металевих плівках найбільш коректно можуть бути описані з допомогою уявлень, покладених в основу підходу Тельє-Тосе-Пішара (Т-Т-П), який базується на моделі плоскопаралельного однорідного шару Фукса-Зондгеймера (Ф-3) та моделі зерномежового розсіювання носіїв струму Майадаса-Шацкеса (М-Ш) [1-3]. Відзначено, що сучасні теорії квантових розмірних явищ ще непридатні для врахування внеску зерномежового розсіювання носіїв. При аналізі експериментальних робіт звертається увага

на існування суттєвої розбіжності експериментальних даних, отриманих різними авторами, що викликане неможливістю точного відтворення ідентичних умов експерименту, в першу чергу вакуумних умов та методик приготування і дослідження плівок.

У другому розділі “Методики експериментального досліджена! електрофізичних властивостей тонких плівок” описано основні особливості використаних в роботі експериментальних методик препарування тонких плівок та дослідження явищ переносу заряду в плівках. Приготування плівок і дослідження їх електричних властивостей проводили в умовах надвисокого вакууму у відпаяних скляних приладах. Плівки наносили на поліроване оплавлене скло та полікристалічні і монокристалічні підкладки з хлористого натрію при температурах 78 К та 300 К. Після напилення плівки термостабілізували з допомогою відпалу при температурі, близькій до 370К. Описана методика дозволяла отримувати тонкі шари металів з добре відтворюваними властивостями. Для оцінки товщини плівок використовували явище зсуву резонансної частоти п’єзокварцового вібратора (чутливість методики була достатньою для надійної фіксації зміни товщини шару біля 0,1 - 0,2 нм). Для контролю складу атмосфер і залишкових газів у приладі в процесі приготування та дослідження плівок використовували омегатронний мас-спектрометр, під’єднаний до експериментального приладу. Експеримент проводився при сумарному тиску залишкових газів нижчому за 10'7 Па (тиск хімічно активних компонентів залишкових газів не перевищував 10'9 Па), що гарантувало достатню чистоту зразка протягом досліджень.

Розмірні залежності питомого опору р, температурного коефіцієнта опору (3, постійної Холла 11 та абсолютної диференціальної термо-е.р.с. Б плівок досліджували безпосередньо в експериментальному приладі без порушення вакуумних умов.

Результати дослідження структури, питомого опору та температурного коефіцієнта опору плівок проаналізовано в третьому розділі “Структура та електропровідність плівок металів”. Дослідження структури плівок проводили з використанням стандартних електронно-мікроскопічних та електронографічних методик. Ці дослідження показали, що використання згаданих вище методик препарування плівок дозволяє отримувати однорідні полікристалічні зразки з кристалічною граткою, аналогічною кристалічній гратці масивного металу. Нерівноважних фаз в плівках товщиною (і більшою за 8-10 нм не виявлено. В плівках зростаючої товщини, одержаних послідовним допиленням металу, середні лінійні розміри кристалітів в площині паралельній підкладці не залежали від товщини шару. Середні лінійні розміри кристалітів були в межах від

D = 6-10 нм (для плівок Мо, Ni, Pd, нанесених на охолоджені до Т„ = 78 К підкладку з полірованого скла) до D = 25-30 нм для плівок металів з гексагональною щільно упакованою граткою, нанесених на сколи кристалу хлористого натрію при Т„ = 300 К. Результати структурних досліджень дозволяють стверджувати, що спостережувані на експерименті залежності кінетичних коефіцієнтів від товщини шару обумовлені залежним від товщини плівки внеском поверхневого та зерномежового розсіювання, а не впливом можливих структурних перетворень, чи появою домішкових фаз.

Типові розмірні залежності питомого опору р та температурного коефіцієнта опору Р плівок показані на рис. 1а. Залежності даного типу в роботі трактовано з допомогою модельних уявлень Фукса-Зондгеймера, Майадаса-Шацкеса та Тельє-Тосе-Пішара. Згідно з теорією Ф-3 у тому випадку, коли ступінь досконалості плівки не залежить від товщини шару, залежності р = p(d) та Р = P(d) можна виражати наближено у вигляді: p = p.[l + 3X(l-p)/8d] (1)

Р = Р«, [і — 3A,(l - р)/ 8d] (2)

У цих виразах р„ та р« - характеристики плівки нескінченої товщини (d —> об), X - середня довжина вільного пробігу носіїв струму в цій плівці і р

- коефіцієнт дзеркальності відбивання носіїв струму зовнішніми поверхнями плівки (0 < р < 1). З літератури відомо, що вирази (1) і (2) з точністю, не гіршою за 5% описують розмірні залежності р і р для відносно товстих плівок d > 0,1 — 0,2Х. Найпростішим критерієм вияснення придатності даних виразів для пояснення результатів експерименту є можливість їх побудови у вигляді лінійних функцій, зокрема типу pd = f¡(d), Pd = f2(d) чи p = F[(l/d) чи P = F2(l/d). Для прикладу на рис. 16

показано залежності pd та pd плівок ітрію від d. З нахилу прямих на

згаданих залежностях здійснюють оцінку рк та Р», а з величини відрізків, що відсікаються на осі абсцис, розраховують X.

Для врахування внеску зерномежового розсіювання в релаксацію носіїв струму були використані вирази теорій М-Ш і Т-Т-П. Зокрема, в теорії М-Ш показано, що взаємний зв’язок між параметрами ри, Р„о і X, які характеризують плівку безмежної товщини (d -> оо) та подібними характеристиками масивного кристалу р0, ро і Х0, можна виразити з допомогою стандартної зерномежової функції f(cc):

f(a) = p./p. = P./Pe=Xa. (3) де f(a) = l-3cc/2 + 3a2-3a3In(l + l/cc) (4)

причому: а = l0r/D(l-r). Тут г - параметр зерномежового розсіювання, залежний від імовірності проходження міжзеренної межі носіями струму

(О < г < 1), О - середні лінійні розміри зерна.

р-101 ,СІ т р■ 103, АГ-' р*М01!,П т ¡)-сі-10п,т-К~'

Рис.1

Використовуючи співвідношення (3), можна звести вирази (1) і (2) до вигляду, придатного до встановлення безпосереднього взаємного зв’язку між р0 і р(сі) та (Зо і (3(с1):

р(с1)/р0 =[і + ЗҐ(а)Х0(1-р)/8сі]-Г1(а) (5)

Р(сі)/Р0 = [1 + Зґ(сх)?,0 /8(3] ' - ґ(а) (6)

Більш вдалою для пояснення властивостей полікристалічних плівок з точки зору модельних уявлень є теорія Т-Т-П, оскільки модель М-Ш побудована для моноблочних по товщині плівок.

В теорії [3] показано, що вираз аналогічний (3) може бути записаний у вигляді:

р„/ро=1+3\.о0-0/Ц1+0 (7)

де І - коефіцієнт проходження носіями струму міжзеренних границь. ’З літературі достатньо добре обгрунтовано, що взаємний зв’язок між параметрами г і і може бути виражений у вигляді:

г/(1 - г) = 2(1 -1)/(1 +1) (8)

а тому в роботі нами постійно проводилось співставлення величин відповідних параметрів, розрахованих з допомогою теорій М-Ш та Т-Т-П.

Використання виразів згаданих теорій для пояснення експериментальних розмірних залежностей р і (3 дозволило здійснити розрахунок параметрів переносу заряду в плівках (зокрема, г, 1) і вивчити їх температурну залежність та залежність від лінійних розмірів кристалітів.

Здійснено порівняння експериментальних даних, отриманих нами, з відомими з літератури результатами експериментального дослідження плівок У, Бс, Ті, Мо, Сг, N1 і Реї. Серед основних узагальнюючих результатів розділу слід відзначити підтвердження теоретичного

передбачення про незалежність від температури параметра міжзеренного тунелювання t (а, таким чином, г), принаймні в діапазоні температур 78 - 370 К, а також відсутність залежності цього параметра від лінійних розмірів кристалітів D в діапазоні 8 нм < D < 30 нм.

На основі аналізу результатів експерименту, проведеного нами, та порівняння з даними, отриманими іншими авторами, в роботі зроблено висновок, що теорія Т-Т-П дозволяє більш надійно розраховувати параметри переносу заряду в плівках, ніж теорія М-Ш. Також підтверджено, що теорія Ф-3 достатньо коректно описує розмірні залежності р і (3 лише в тому випадку, коли лінійні розміри кристалітів не залежать від товщини шару.

У четвертому розділі “Вплив поверхневого та зерномежовог J розсіювання носіїв струму на постійну Холла та абсолютну диференціальну термо-е.р.с. плівок” описано результати експериментального дослідження ефектів Холла та Зеебека в плівках в залежності від їх товщини. Трактування експериментальних залежностей від d постійної Холла R та абсолютної диференціальної термо-е.р.с. S плівок з використанням моделей [1-3] некоректне, оскільки згадані теорії побудовані для ідеального Зоммерфельдівського металу, а досліджувані в роботі метали належать до перехідних d-металів із складною зонною енергетичною структурою, суттєво відмінною від моделі Зоммерфельда. Зокрема, в такому металі є декілька груп носіїв струму з різними ефективними масами, а відповідно із різними динамічними властивостями. Враховуючи, що поверхневе та зерномежове розсіювання можуть по-різному впливати на перенос заряду носіями різних груп, то слід очікувати появи достатньо складних ефектів з розмірних залежностях R і S. Тому в роботі використана модель, що базується на наступних спрощуючих припущеннях [5]:

1. В плівці перехідного металу є принаймні дві незалежні групи носіїв струму з різними ефективними масами.

2. Поверхневе та зерномежове розсіювання незалежно впливають на перенос заряду кожною з груп зокрема.

Дані спрощуючі припущення дозволяють використати вирази теорії [1-3] окремо для опису внеску кожної групи носіїв струму в сумарний перенос заряду в плівці. Зокрема, при наявності двох груп носіїв струму (електронні і діркові стани), по аналогії з підходом, розробленим для масивних металів, розмірні залежності кінетичних коефіцієнтів можна описати з допомогою виразів:

o(d) = су' (d) +cj*(d) = l/p'(d) + 1/р+ (d) (9)

P.(d)-R*(d)[q*(d)r+R-(d)k(d)?

[a+(d) + G-(d)]2

S(d) = -x^!l.?ybFa*W

esF CT*(d) + a"(d)

(11)

Відзначимо, що в цих виразах показані відповідно сумарна, електронна і діркова питомі провідності (питомі опори): cr(d) = l/p(d); ст ‘(d)= l/p"(d) і a+(d) = l/p+(d) плівки товщиною d; R(d), R'(d), R+(d) -постійні Холла (сумарна електронна і діркова). У виразі для абсолютної диференціальної термо-е.р.с. плівки S(d): k - стала Больцмана, Т -абсолютна температура, єР - енергія Фермі металу, е - елементарний заряд, х і F - параметри зонної енергетичної структури матеріалу плівки (для більшості металів х = 1, F = 1). Залежності a+=a+(d) та o'=c'(d) можуть бути описані за допомогою теорій [1-3].

Спрощення виразу (10) досягають, нехтуючи розмірними змінами R+ (d) та R'(d) в порівнянні з відповідними змінами ст+ та ст", і вважаючи, що R+(d) и l/Nn+e, а R'(d) » -1/Nne, де N - концентрація атомів металу, п+ і п"

- відповідно кількість діркових і електронних станів на атом:

З отриманих експериментальних залежностей ст = <j(d) = l/p(d) та R = R(d) з допомогою виразів (9) та (11) або (12) розраховували залежності p+ = p+(d) та p'=p'(d).

Для ілюстрації сказаного більш детально зупинимося на аналізі даних, отриманих для плівок ітрію. На рис. 2а наведено експериментальні залежності р, R і S плівок ітрію від їх товщини d при Тв = 300 К, а на рис. 26 показані залежності a(d), CT+(d) і CT'(d), розраховані із залежностей p(d) та R(d) з допомогою виразів (9) та (12). Як видно з рис. 2а, розмірна залежність R(d) для плівок ітрію має особливість: при товщині плівки d = 8 нм постійна Холла змінює знак з R > 0 (при d < 8 нм) на R > 0 (при d > 8 нм). Розмірні залежності р+ = p*(d) та р' = p'(d) можна описати з допомогою теорій [1-3], оскільки залежності p+(d)-d = tpi(d) та p"(d)-d = 92(d) (рис. 2 в) лінійні.

Розмірна залежність абсолютної термо-е.р.с. плівок ітрію може бути пояснена як з використанням моделі однорідного плоскопаралельного шару, так і з допомогою проаналізованої вище моделі, що базується на розгляді сумарного внеску двох незалежних груп носіїв струму. З моделі однорідного шару зоммерфельдівського металу випливає, що експериментальна залежність S(d) -d = Ф(с1) повинна бути лінійною.

(12)

pd-10'5,n-m S-d-10'\V-m/K

Рис. 2

Для плівок ітрію (подібно, як і для плівок скандію та хрому) ця залежність лінійна (рис. 2 г).

З іншого боку, хід залежності S = S(d) можна достатньо коректно передбачити із розрахованих залежностей a+=a+(d) та a'=a'(d). Сказане підтверджує крива S = S(d), наведена на рис. За (• - експериментальні значення S, + - значення S, розраховані з даних, наведених на рис. 2 б). Подібний результат отримано і для плівок інших металів. Для прикладу гч рис. З б показана відповідна залежність для плівок скандію.

S-IO^.V/K S-lO-t'V/K

В роботі детально проаналізовані результати дослідження розмірних залежностей II і Б плівок інших перехідних металів. На їх основі зроблено узагальнюючі висновки про вплив поверхневого та зерномежового розсіювання носіїв струму на кінетичні коефіцієнти плівок і розраховано параметри переносу заряду по електронних і діркових траєкторіях. Показано, що імовірність міжзеренного тунелювання носіїв, які перебувають на електронних траєкторіях, І' вища за імовірність міжзеренного тунелювання носіїв струму, які перебувають на діркових траєкторіях 1:+. Слід відзначити, що параметри Г і не проявляють температурної залежності в діапазоні температур 78 - 300 К.

В роботі проведено систематичне дослідження впливу поверхневого та зерномежового розсіювання носіїв струму на перенос заряду в тонких плівках ряду перехідних металів. З цією метою розроблено і вдосконалено існуючі методики приготування тонких плівок ітрію, скандію, молібдену,

-1.0

-2.5

0 10 20 30 40 50

а)

Рис. З

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

хрому, нікелю та паладію із наперед заданою структурою (кристалічна гратка аналогічна гратці масивного металу, а лінійні розміри кристалітів в площині, паралельній підкладці, не залежать від товщини плівки і можуть керовано задаватись в межах 8-30 нм). Вивчено залежності питомого опору р, температурного коефіцієнта опору Р, постійної Холла Я та абсолютної диференціальної термо-е.р.с. плівок Б від товщини плівки сі. Застосуванні надвисоковакуумних методик препарування та дослідження плівок забезпечило достатню чистоту об’єктів дослідження і добру відтворюваність результатів. Експериментальні дані пояснено на основі існуючих модельних уявлень про перенос заряду в зразках обмежених розмірів.

Трактування результатів дослідження розмірних залежностей Я і Б проведено з допомогою модифікованих теоретичних уявлень Майадаса-Шацкеса та Тельє-Тосе-Пішара в припущенні , що в плівці присутні принаймні дві незалежні групи носіїв струму з різними ефективними масами, а висновки згаданих теорій справедливі для кожної групи носіїв струму зокрема. Здійснено узагальнюючий аналіз результатів дослідження Іі(сі) та 8(<і) плівок різних перехідних металів, проведених як в даній роботі, так і в роботах інших авторів.

В цілому з даних, отриманих в роботі, можна зробити наступні висновки:

1. В результаті комплексного дослідження впливу класичного розмірного ефекту на кінетичні коефіцієнти плівок ряду перехідних металів підтверджено придатність існуючих теорій цього ефекту для опису експериментальних даних. Розраховано параметри переносу заряду в плівках.

2. Для діапазону температур 78 К - 370 К підтверджено теоретичне передбачення про незалежність від температури імовірності міжзеренного тунелювання носіїв струму.

3. Показано, що в дрібнокристалічних шарах (лінійні розміри кристалітів в площині, паралельній підкладці 8 нм < О < 30 нм) імовірність міжзеренного тунелювання не залежить від розміру кристалітів.

4. Результати дослідження розмірних залежностей К і Б пояснено на основі модифікованих модельних уявлень про перенос заряду в плівках перехідних металів, обчислено параметри переносу заряду по електронних та діркових траєкторіях.

5. Імовірність міжзеренного тунелювання Ґ носіїв струму, що перебувають на електронних траєкторіях, вища за аналогічну величину Г для носіїв, що перебувають на діркових траєкторіях.

Температурна залежність величин t’ і t+ не виявлена для діапазону температур 78 - 300 К.

6. Показано, що з результатів дослідження розмірних залежносте:-! питомого опору та постійної Холла можна передбачити хід розмірної залежності абсолютної диференціальної термо-е.р.с.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах:

1. Melnichuk B.L., Lopatinsky A.I., Stasyuk Z.V. The Thermoelectric Power in Transition Metal Thin Films // Phys.Stat.Sol. (a).- 1999.- 171.- P. 495-500.

2. Мельничук Б.Л., Лопатинсысий A.I., Стасюк З.В. Електропровідність і термоелектрорушійна сила тонких плівок паладію, нікелю і молібдену // Фізичний збірник НТШ.- 1998.- в. 3.- С. 124-132.

3. Лопатинский А.И., Стасюк З.В. Электронные явления переноса в тонких пленках иттрия // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядернофизические исследования (теория и эксперимент).- 1994,- В.1(27).-С.77-79.

4. Лопатинський А.І., Мельничук Б.Л., Стасюк З.В. Кінетичні явища в тонких плівках металів груп скандію і титану // В зб. “Фізико-хімічні, структурні і емісійні властивості тонких плівок і поверхні твердого тіла”,

B.2. під ред. акад.НАН України М.Г.Находкіна,- Запоріжжя.- 1995.-

C.195-218.

5. А.І.Лопатинський, З.В.Стасюк. Структура та електропровідність вакуумних конденсатів паладію та нікелю // Вісник Львівського університету, сер. фізична.- 1998.- вип. ЗО.- С. 126-128.

6. Лопатинский А.И. Структура и электропроводность вакуумных конденсатов хрома // Труды Украинского вакуумного общества, Харьков,- 1996.- т. 2.- С. 147-151.

7. Когут О.М., Лопатинський А.І., Мельничук Б.Л., Стасюк З.В. Структура

і електропровідність тонких плівок вольфраму і хрому // Матеріали I т Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок”.- Івано-Франківськ.- 1993,- С. 250.

8. Лопатинський А.І., Мельничук Б.Л., Стасюк З.В. Розмірні гальваномагнітні та термоелектричні явища в плівках перехідних металів// Міжнародна наукова конференція, присвячена 150-річчю від дня народження Івана Пулюя. Тези доповідей.- Львів.- 1995.- С. 155-156.

9. Lopatinsky A.I., Melnichuk B.L., Stasyuk Z.V. Charge Carriers Surface and Grain Boundary Scattering in Group VI Transition Metal Thin Films // Book of Abstracts Second International Conference MPSL’96.- Sumy.- 1996.-P.145.

lO.Stasyuk Z.V., Lopatinsky A.I., Melnichuk B.L. Electron Transport Phenomena in Fine Grained Transition Metal Thin Films // 6-th International Workshop Electronic Properties of Metal/Nonmetal Microsystems.- Prague.-6-12 September.- 1997.- P.61-62.

11.Melnichuk B.L., Lopatinsky A.I., Stasyuk Z.V. Electrical Conductivity and Thermoelectric Power of Transition Metal Thin Films // Abstracts of 19-th International Seminar on Surface Physics.- Polanica Zdrój.- Poland.- June 1519.- 1998.-P. C-58.

Цитована література

1. Sondheimer E.H. // Adv.Phys.-1952, v.l, P. 1-42.

2. Чопра К.Л. Электрические явления в тонких пленках,- М.: Мир, 1972.435 с.

3. Mayadas A.F., Shatzkes М.//Phys.Rev.B.- 1970, v.l,N4.-P. 1382-1389.

4. Tosser A.J., Tellier C.R., Pichard C.R.// Joum.Mat.Sci.- 1981.- v.16.- N5.-

P. 944-948; Tijani H., Pichard C.R., Tosser A.J. II Joum.Mat.Sci.-1987.-V.6.-N9.-P. 1107-1109.

5. Панченко О. A.//УФЖ.- 1966.-т.11,-№10,-C. 1147-1149;

Мельничук Б.Л., Стасюк З.В. II Изв.высш.уч.завед. Физика,- 1991.-№ 12.-

С. 94-97.

Лопатинський Андріан Іванович. Кінетичні явища в тонких плівках перехідних сі-металів.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 - фізика і хімія проверхні.-Прикарпатський державний університет імені Василя Стефаника. Міністерство освіти і науки України, Івано-Франківськ, 2000.

На захист виносяться результати досліджень, опублікованих в 11 наукових працях, присвячених дослідженню структури та електрофізичних властивостей тонких плівок перехідних металів. Експеримент проведено в умовах надвисокого вакууму при тиску залишкових газів нижчому за 10'7 Па. Вивчено вплив поверхневого та зерномежового розсіювання носіїв струму на перенос заряду в плівках. Залежності від товщини шару питомого опору, постійної Холла та абсолютної диференціальної термоелектрорушійної сили плівок пояснено на основі існуючих теоретичних моделей кінетичних явищ в зразках обмежених розмірів. Визначено параметри переносу заряду в плівках. Здійснено узагальнюючий аналіз отриманих результатів.

Ключові слова: тонкі плівки, перехідні метали, кінетичні коефіцієнти, поверхневе та зерномежове розсіювання носіїв струму, розмірні явища. Лопатинский Андриан Иванович. Кинетические явления в тонких пленках переходных с1-металлов.- Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.18 - физика и химия поверхности.- Прикарпатский государственный университет имени Василия Стефаника, Министерство образования и науки, Ивано-Франковск, 2000.

К защите представлены результаты исследований, изложенные в 11 научных работах, посвященных исследованию структуры и электрофизических свойств тонких пленок ряда переходных металлов. Эксперимент проведен в условиях сверхвысокого вакуума при давлении остаточных газов, не превышающем 10‘7 Па. Изучено влияние поверхностного и зернограничного рассеяния носителей тока на перенос заряда в пленках. Зависимости от толщины слоя удельного сопротивления, постоянной Холла и абсолютной дифференциальной термоэлектродвижущей силы пленок объяснены с помощью существующих теоретических моделей кинетических явлений в образцах ограниченных размеров. Вычислены параметры переноса заряда в пленках. Проведен обобщающий анализ полученных результатов. Ключевые слова: тонкие пленки, переходные металлы, кинетически; коэффициенты, поверхностное и зернограничное рассеяние носителей тока, размерные явления.

Lopatinsky A.I. Kinetic Phenomena in Transition d-metal Thin Films.-

Manuscript.

Thesis on search of the scientific degree of candidate of Physical and Mathematical Science, speciality 01.04.18- Physics and Chemistry of Surface. Vasyl Stefanyk Prycarpathian State University, Ivano-Frankivsk, 2000.

The results of researches published in 11 scientific works are presented to defense a thesis. The thesis is devoted to investigation of structure and electrical properties of transition metal thin films. The aim of present study is to investigate the influence of charge carriers surface and grain-boundary scattering on electron transport in films.

The investigations were performed in all-glass soldered ultra-high vacuum chambers. The residual gas pressure in the apparatus was less than 10'7 Pa. The metal films were deposited onto glass or NaCl substrate held on 78K or 300K at a rate of 0.1 to 0.2nm/min by thermal evaporation. Thin films thickness was monitored by applying a quartz-crystal oscillator. The sample thickness increased by additional deposition on the same film.

Electron-microscopic and electron-diffraction examinations of films gave the following results. Metal layers more than 8-10 nm thick were polycrystalline and continuous, they had a crystal lattice similar to that of bulk metal. The average linear crystalline size D in the plane parallel to substrate did not depend on the film thickness (from D=8 to 10 nm for Cr, Mo,Ni, Pd films deposited onto cooled to T=78K glass to D=25 to 30 nm for Y, Sc and Ti films deposited on! ) NaCl (100) crystal face at T=300K).

Experimentally the resistivity p,the Hall coefficient R and the thermoelectric power S dependences on thin films thickness were investigated.The experiment showed that p, R and S possessed a size-dependence. The experimental results for p were interpreted in the framework of classical size-effect theories. The Fuchs-Sondheimer theory was useful to surface scattering explanation. The grain-boundary scattering was explained in framework of Mayadas-Shatzkes and Tellier-Tosser-Pichard theories. The electron transport parameters for thin films were calculated. It was shown that the value of the coefficient of charge carrier grain-boundary transmission did not depend on temperature in temperature region 78 K to 370 K.

The R and S size-dependencies were interpreted in the framework of modified classical size-effect theories. It was supposed there were tv.-5 independent groups of charge carriers in the transition metal thin film. The surface and grain-boundary scattering had influence on charge transport of each group separately. This assumption allowed us to explain the R and S size dependences peculiarities. Separately, the Hall coefficient in yttrium thin film sign changed with film thickness variation. The thermoelectric power S sign also

changed when the thickness of palladium thin film was being changed. The general feature on the results obtained in this part of work was that the value of the coefficient of electron grain-boundary transmission t" is higher then the value t+ calculated for hole trajectories.

At last the generalized conclusion about electron transport in thin metal films were made.

Kev-words: thin films, transition metals, kinetic coefficient, charge carriers, surface and grain-boundary scattering, size-effect.